隨機荷載作用下巖石節理剪切強度特性研究

嚴 園，鄒蘭林，周興林，謝旭飛

（武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢，430081）

巖石節理的力學特性是巖體工程安全性的控制因素之一。橋梁、隧道等交通構造物的基礎除了承受其自身重量外，主要還承受長期的隨機車輛荷載作用，基礎巖石節理的動態力學特性是確保其結構安全的重要前提。

目前關于巖石節理力學特性的研究主要是采用有規律的周期循環荷載進行加載試驗來獲得一些定量結果。朱小明、劉博等［1－3］采用人工節理試件研究循環剪切荷載下巖石節理強度的劣化規律，分析了不同因素對節理剪切強度的影響，研究表明巖石節理遭受周期性的磨損和鈍化，其抗剪力學參數逐漸劣化，表面粗糙度明顯降低，從而加劇了巖體沿節理（結構）面的錯動和滑移。李海波等［4］分析了不同剪切速率下巖石節理的強度特性，結果表明隨著剪切變形速率的增加，試件的峰值剪切強度明顯降低。李夕兵等［5］研究了不同頻率載荷作用下巖石節理本構關系，模擬出不同條件下的節理本構關系式；左宇軍等［6］研究了受靜載荷的巖石在周期荷載作用下的破壞模式。

上述研究所采用的周期荷載無法真實反映實際工程中巖石節理的動態力學特征。因此，為了比較準確地模擬車輛荷載對巖石節理剪切強度的影響，本文采用實際車輛荷載譜進行加載，分析巖石節理剪切強度的影響因素及變化規律，以期為巖體結構安全性評估提供參考。

1 隨機車輛荷載譜的模擬

日常使用過程中，橋梁上通行的車流是一個隨機過程，車型、車重、車間距均隨時間而變化。設計公路橋涵時，采用的汽車荷載分為車道荷載和車輛荷載，分別用于計算不同的橋梁構件。這兩種荷載都是在靜載基礎上考慮沖擊影響，并沒有完全體現動態隨機荷載的特性。以此為基礎的力學理論分析，無論對于橋梁結構本身還是結構地基，都會導致分析結果偏離實際。要真實反映結構在動態隨機車輛荷載作用下的力學特性，必須考慮車輛荷載參數的隨機性，充分調查交通荷載狀況，統計分析交通流各個參數，綜合模擬接近實際運營狀態的交通流。

本文基礎巖石節理特性研究重點考慮壓力作用，在實際數據采集時，主要是獲取隨機車流作用下的橋梁基礎反力響應。以某一跨徑為16m的橋梁結構為研究背景，該橋總寬為8.5m，上部結構采用單板寬1m的空心板，橫向共8塊板。在第5塊板下面的支點處布置壓力傳感器，如圖1所示，安裝傳感器時賦予其一個足夠小的初始壓力。連續采集24h內該橋在汽車荷載作用下的支點反力響應。傳感器采集的數據通過集線器和路由器傳輸給PC端，直接輸出反力－時間曲線。

圖1 傳感器的布置Fig.1 Arrangement of the sensor

圖2為某車流高峰時段測得的反力－時間曲線，將該數據作為基礎樣本來模擬該橋實際荷載譜?？紤]其他車道荷載對該空心板的影響，分別計算各車道對5號板的橫向分布系數，將所采集的反力值乘以相應的系數然后疊加形成單車道反力－時間曲線。

圖2 反力－時間曲線Fig.2 Counterforce－time curve

上述數據僅為可變作用效應，實際支點反力由永久作用效應和可變作用效應組成，其最小應力由永久作用效應產生，即

式中：Fmin為支座最小壓應力；Qg為永久作用下產生的支座反力；A為支座面積。其最大應力由可變作用效應與永久作用效應共同產生，即

式中：Fmax為支座最大壓應力；Qq為可變作用下產生的支座反力。

根據實際采集的反力－時間歷程，考慮多車道影響，并加入永久作用效應，計算出不同時段橋梁基礎構件的最大反力和最小反力，分別作為施加給試件的最大作用力和最小作用力，從而獲得用于試驗的隨機車輛荷載譜，如圖3所示。

圖3 隨機車輛荷載譜Fig.3 Random vehicle load spectrum

2 試驗

一般情況下，巖石節理峰值剪切強度可表示為［4］：

式中：τp為巖石節理峰值剪切強度；σn為法向應力；α為節理起伏角；φ0為節理表面基本摩擦角。由式（3）可知，巖石節理峰值剪切強度與法向應力、節理表面基本摩擦角和節理起伏角有關。同時，巖石節理剪切強度與巖壁強度σ也密切相關［2］。為了考察這些指標對隨機動態荷載作用下巖石節理剪切強度的影響，本試驗對具有不同起伏角和巖壁強度的人工節理試件，分別在不同的法向應力條件下施加模擬的隨機車輛荷載序列，同時檢測巖石節理的剪切強度。

2.1 試件制作

天然巖石節理的表面形貌復雜，不具備一致性。本試驗以水泥砂漿為原料，人工制作節理試件，保證了同一類型試件的高度一致性。

通過調整水泥砂漿的配比來控制節理試件的巖壁強度。預先用木模制作出具有各種角度和長度的底模放入圓形鋼模里面，形成節理表面不同的起伏角形狀，然后采用模具澆筑統一試件塊，如圖4所示。制備了10°、20°、30°三種起伏角以及10、20、30MPa三種巖壁強度的共9組節理試件。每組試件制作3個，通過抗壓強度試驗確定試件實際的巖壁強度，取3個試件的平均值。

圖4 試驗模型Fig.4 Testing model

2.2 試驗方法

剪切試驗在電液伺服材料試驗機（MTS－810）上進行，主要步驟包括法向加載、切向加載、物理量測量以及數據采集和處理。

9組節理試件分別在不同法向應力狀態下進行剪切試驗。每組節理試件的剪切強度分別為對應3個試件的平均值。

試驗加載時根據模擬的隨機車流荷載譜，按1min為1個周期進行加載，連續加載5個周期。

3 試驗結果及分析

3.1 節理峰值剪切強度

將節理試件在1個加載周期內的最大剪切應力定義為節理峰值剪切強度。在不同法向應力作用下，9組試件在第1個周期內的峰值剪切強度如表1所示。由表1可見，節理峰值剪切強度與節理起伏角、法向應力以及巖壁強度均呈正相關關系。

表1 節理試件的峰值剪切強度測試結果Table1 Test results of the peak shear strength of joint specimens

3.2 節理剪切強度的劣化規律

為了分析節理剪切強度的變化趨勢及其影響因素，分別選取5個加載周期內同一時間點的節理剪切強度進行對比分析，將后面4個周期同一時間點的剪切強度與第1個周期對應點剪切強度的比值定義為剪切強度比，即

式中：τn為第n個周期內某時間點的巖石節理剪切強度；τ1為第1個周期內同一時間點的巖石節理剪切強度。剪切強度比體現了節理剪切強度的劣化情況。Rτ越接近1，表明循環加載造成的節理剪切強度劣化程度越輕；Rτ越小，表明節理剪切強度衰變越厲害。

圖5～圖7分別為不同起伏角、法向應力和巖壁強度條件下的節理剪切強度比。從這3幅圖中均可以看出，節理剪切強度隨循環加載次數的增加而逐漸降低，其變化趨勢呈先快后慢的特征，并逐漸趨于穩定。這主要是由于加載初期節理表面薄弱部位遭到持續破壞，隨著加載的進行，薄弱部位被完全破壞后，節理根部抵抗破壞的能力較強，導致節理剪切強度下降速率變慢。

圖5 不同起伏角下的節理剪切強度比（σn＝1MPa，σ＝10MPa）Fig.5 Shear strength ratio of joints with different undulating angles（σn＝1MPa，σ＝10MPa）

圖6 不同法向應力下的節理剪切強度比（α＝10°，σ＝10 MPa）Fig.6 Shear strength ratio of joints under different normal stresses（α＝10°，σ＝10MPa）

圖7 不同巖壁強度下的節理剪切強度比（α＝10°，σn＝1 MPa）Fig.7 Shear strength ratio of joints with different joint wall strengths（α＝10°，σn＝1MPa）

由圖5可見，節理起伏角越大，節理剪切強度衰減越快。這是因為，起伏角越大，節理凸起的頂部越薄弱，其抗剪能力越低，在加載初期即被快速破壞，導致節理剪切強度衰減很快，但是隨著薄弱尖端的破壞，節理剪切強度的劣化趨勢很快趨于穩定。

由圖6可見，法向應力越大，節理剪切強度劣化越嚴重。這主要是因為較大的法向應力限制了剪切過程中的剪脹位移，節理表面凸起體更容易發生體積較大的剪斷破壞，導致其剪切強度快速降低；而法向應力較小時，節理位移受到較小限制，節理起伏角尖端破壞以連續磨損或多次剪斷破壞為主。

由圖7可見，巖壁強度越低，節理剪切強度衰減越快。這是因為，巖壁強度較高時，節理表面抗剪切能力較強，發生快速的節理表面剪切破壞相對較難；而對于低巖壁強度的節理試件，表面凸起體的抗剪切能力不強，易發生體積較大的剪斷破壞，因此節理剪切強度衰減較快。

4 結論

（1）在隨機車輛荷載序列的作用下，巖石節理的峰值剪切強度與節理起伏角、法向應力以及巖壁強度均呈正相關關系。

（2）巖石節理剪切強度隨循環加載次數的增加而降低，且呈現先快后慢的變化趨勢，并逐漸趨于穩定。

（3）巖石節理剪切強度的劣化速率隨節理起伏角的增大、法向應力的增加和巖壁強度的降低而加快。

［1］朱小明，李海波，劉博.循環剪切荷載作用下含二階起伏體模擬巖石節理力學特性研究［J］.巖土力學，2014，35（2）：371－379.

［2］劉博，李海波，劉亞群.循環剪切荷載作用下巖石節理變形特性試驗研究［J］.巖土力學，2013，34（9）：2475－2481.

［3］劉博，李海波，朱小明.循環剪切荷載作用下巖石節理強度劣化規律試驗模擬研究［J］.巖石力學與工程學報，2011，30（10）：2033－2039.

［4］李海波，馮海鵬，劉博.不同剪切速率下巖石節理的強度特性研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25（12）：2435－2440.

［5］李夕兵，王衛華，馬春德.不同頻率載荷作用下的巖石節理本構模型［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（2）：247－253.

［6］左宇軍，李夕兵，唐春安，等.受靜載荷的巖石在周期載荷作用下破壞的試驗研究［J］.巖土力學，2007，28（5）：927－932.